艙外服大循環量引射器優化設計與實驗研究

周 遠， 王 雷， 梁志偉， 孫 鵬， 羅 江， 朱艷芳

(1.中國航天員科研訓練中心， 北京 100094； 2.山東大學 控制科學與工程學院， 山東 濟南 250061)

引言

艙外航天服是高風險出艙活動[1]中保障航天員生命安全、工作能力和工作舒適性的核心設備[2-5]。便攜式生保系統是艙外服的關鍵組成部件之一[6]，其壓力維持和氧氣供應是保障航天員安全和生存的最重要的功能，其系統設置了完備的功能備份系統來保障故障情況下航天員的安全[7-9]。引射器用作供氧調壓系統的重要功能備份，是遞進式應急供氧模式的核心部件，利用來自儲氧罐的高壓氧氣，在噴嘴出口產生低壓，抽吸通風回路氣體，與之混合后進行供氧與通風，同時可帶動通風管道內氣體流動，作通風動力設備的功能備份。本研究的引射器為大循環量引射器，流量設計目標為：絕對壓力0.5 MPa時，噴嘴氧氣流量為10～15 L/min，混合氣體的流量不小于120 L/min，即循環氣體流量的體積是噴嘴體積流量的8～12倍。

由于正常供氧模式為主方案，為了不影響其性能，這里只考慮研究擋板位置、噴嘴形狀和NXP對循環量的影響。目前的引射器采用漸縮管，即使在臨界工作模式，隨著工作壓力增大，工作流量線性增大，但是引射流量呈下降趨勢，難以滿足循環量要求。目前尚未見艙外服生保系統引射器設計與優化的相關報道。但是關于引射器的結構優化在制冷等領域比較成熟，具體如下：如果將噴嘴改為縮放噴嘴，在噴嘴出口產生的壓降大，引射能力強，在次臨界模式，引射流量隨工作壓力增大而增大，在臨界模式，引射流量保持最大且不變[10]。因此，將亞音速噴嘴改為縮放噴嘴是提高循環量的重要手段。對于固定的引射器，存在一個最優的NXP使得引射性能最佳。張坤等[11]仿真研究表明在其他結構與工況固定前提下，存在一個最優的NXP使得二次流充分加速，在與一次流進行混合時摩擦損失與動能損失最小、引射比最大。于文艷等[12]仿真發現NXP為混合室圓柱段直徑的1.8倍時，引射性能最佳。史海路等[13]研究發現存在一個最優的NXP使得引射性能最大。關于噴嘴出口位置，陳洪杰等[14]采用環形混合層理論，建立了預測最優NXP的理論模型，研究發現，膨脹比固定，無量綱最優NXP隨壓縮比增大而減小。NGUYEN等[15]研究發現最優NXP不隨工況改變。

綜上所述，為了在不影響主方案性能的前提下提高循環量，可以考慮適當前移擋板減輕甚至消除渦流損耗；在此基礎上，將收縮噴嘴改為縮放噴嘴并且尋找合適的NXP是提升循環量的重要手段。本研究將前移擋板，更換噴嘴，然后采用常壓引射實驗研究不同NXP對混合流量Vm的影響，以優化引射器結構，提高供氧通風能力。

1 引射器結構設計

1.1 擋板前移

艙外服用引射器三維結構如圖1a所示，當前的引射器采用亞音速噴嘴；由圖1b可知，引射器擋板與等面積混合區進口之間存在一定空間，這會產生回流，降低引射性能。因此，擋板前移有助于降低引射器內部渦流耗散，增強混合，提高引射性能，如圖2所示。

圖1 艙外服用引射器

圖2 擋板前移后的引射器

1.2 噴嘴優化

1) 噴嘴數學模型

(1)

式中，pp,Tp—— 工作流入口滯止壓力與溫度

At—— 噴嘴喉部截面積

γ—— 絕熱指數

R—— 氣體常數

ηp—— 噴嘴等熵效率

(2)

式中，Ap,e—— 噴嘴出口截面積

噴嘴出口壓力pp,e為：

(3)

2) 縮放噴嘴結構設計

(1) 確定噴嘴等熵效率 樣件1與樣件2(正式產品，XXX-5和XXX-6)環試后產品氧氣介質測試分別如表1所示。

此時噴嘴喉部直徑為0.57 mm，大氣壓力為101.325 kPa，常溫下氧氣[17]氣體常數R=259.8 J/kg·K，絕熱指數γ=1.395，標況下氧氣密度[18]為1.429 kg·m-3。將以上參數以及表1中測試結果代入式(1)，分別求得噴嘴等熵效率，并取其平均值為92.13%，標準差為1.84%。各測試點的相對誤差δ均在±2%以內，詳見圖3。

表1 樣件1，2環試后產品氧氣介質測試結果

圖3 噴嘴效率相對誤差分布圖

(2) 求解噴嘴喉部截面直徑 將噴嘴最大質量流量3.81×10-4kg·s-1、工作流最小絕對壓力401.325 kPa、溫度300 K、噴嘴效率92.13%以及氧氣特性參數代入式(1)，求得噴嘴喉部直徑為0.717 mm。

(3) 求解噴嘴出口截面直徑 取噴嘴出口壓力為通風氣體壓力的1/10，即10.1325 kPa，代入式(3)，求得噴嘴出口馬赫數為3.0474，代入式(2)，求得噴嘴出口直徑為1.5 mm。

(4) 計算噴嘴漸擴段長度 根據ESDU 86030手冊，噴嘴漸擴角過小會導致漸擴段長度過長，產生較大的摩擦損失；過大則容易在低壓比下導致流體分離。因此，根據漸擴角推薦值10°，計算漸擴段長度為4.5 mm，這里取為5 mm。

至此，完成整個縮放噴嘴結構設計，其二維剖面如圖4所示。

圖4 縮放噴嘴二維剖面圖

3) NXP

噴嘴由漸縮管改為縮放管后，需要考慮噴嘴位置，以獲得整個超音速引射器的最優引射效果。研究不同NXP對超音速引射器混合流量的影響，以使其值最大，如圖5所示。

圖5 超音速引射器二維剖面圖

2 艙外服用引射器實驗系統

2.1 艙外服用引射器實驗原理

艙外服用引射器實驗原理如圖6所示，來自高壓氧罐的純氧，經減壓調壓到額定工況后，在噴嘴內膨脹加速，產生低壓，在壓差與剪切力的作用下，引射通風回路氣體 (通風氣體與混合氣體的壓差由阻力模擬器調節實現)，兩股流體經劇烈而又復雜的能量交換、物質擴散過程混合后排出至大氣。

圖6 艙外服用引射器實驗原理圖

2.2 常壓引射實驗平臺

常壓引射實驗平臺引射器接口如圖7所示，具體實驗流程按照規定執行，實驗時室內溫度為300 K，空氣壓力為101.800 kPa。

圖7 常壓引射實驗平臺引射器接口

為了提高實驗效率，采用3D打印技術加工制造，如圖8所示，材質為光敏樹脂，加工精度為0.1 mm。考慮純氧實驗的安全性，采用氮氣做常壓引射實驗。

圖8 不同結構引射器3D打印實物

3 結果與討論

3.1 擋板位置與噴嘴類型對循環量的影響

不同擋板位置與噴嘴類型下的引射器壓力-流量特性曲線如圖9所示。在工作流表壓為0.30～0.55 MPa 范圍內，擋板位置對混合流量的影響與噴嘴類型相耦合。對于亞音速引射器，前移擋板導致渦流耗散降低，混合流量56.90%提高以上，而對于超音速引射器，前移擋板增加渦流耗散，使得混合流量降低12.08%～16.70%。將漸縮噴嘴換為縮放噴嘴，噴嘴出口速度增加至超音速，抽吸室內工作流與通風氣體壓差增大，引射性能增強，抽吸更多通風回路氣體，可顯著提高混合流量。對于亞音速引射器，混合流量可以提高1.81倍以上；對于擋板前移的亞音速引射器，則可提高36.90%以上。

圖9 擋板位置和噴嘴類型對混合流量的影響

3.2 NXP對循環量的影響

NXP對不同引射器混合流量的影響如圖10所示。對于擋板前移的亞音速引射器，無論怎么改變NXP，均無法滿足循環量要求。然而，對于超音速引射器，基本所有的NXP，混合流量均可符合要求。特別地，當NXP為6 mm時，引射器引射性能最優，混合氣體流量最大，在工作流絕對壓力為0.503 MPa時，其值為144.83 L/min。最優引射器與亞音速引射器的壓力-流量特性具體比較如表2所示，將噴嘴換為縮放噴管，混合流量至少可提高1.59倍。

圖10 NXP擋板前移引射器對混合流量的影響

本研究的最優引射器與亞音速引射器性能比較詳見表2，可知相比于原來的亞音速噴射器，最優噴射器的體積流量的混合氣體流量也由原來的27～64 L/min提高到119.83～179.67 L/min，所有的混合氣體流量基本滿足不低于120 L/min的要求。此外，體積流量提高1.8～3.4倍， 并且滿足混合氣體的流量不小于120 L/min的指標要求。

表2 最優引射器與亞音速引射器性能比較

注：工作介質為氮氣。

4 結論

為了進一步提高艙外服用引射器供氧通風性能，設計縮放噴嘴，采用3D打印技術制造光敏樹脂引射器，采用純氮進行常壓引射實驗，研究擋板位置、噴嘴類型和NXP對循環量的影響，確定性能最優的引射器結構。

(1) 擋板位置與噴嘴類型對循環量的影響相互耦合。對于亞音速引射器，前移擋板可提高混合流量56.90%以上，而對于超音速引射器，卻使得混合流量降低12.08%～16.70%。將漸縮噴嘴換為縮放噴嘴，混合流量可以提高1.81倍以上；對于擋板前移的亞音速引射器，則可提高36.90%以上；

(2) 對于亞音速引射器，所有的NXP均無法滿足循環量要求；然而，超音速引射器基本均可滿足要求；

(3) 存在最優的NXP使得超音速引射器循環量最大。當NXP=6 mm時，超音速引射器混合流量最大，在工作流絕對壓力為0.503 MPa時，混合流量為144.83 L/min，與亞音速引射器相比，在典型工況循環量至少提高1.59倍。